¿Por qué las imágenes no aparecen invertidas al mirar directamente a través de una cámara estenopeica?

Question

Entiendo que el camino que la luz toma a través de un agujero en la aguja crea una imagen invertida en una superficie detrás del agujero. Recuerdo este efecto de experimentos escolares, también está descrito en este artículo de wikipedia. Perforé un pedazo de papel y miré a través de él (en lugar de observar el reflejo), la imagen apareció como normal para mí. ¿Por qué es eso? ¿Por qué la escena no aparece boca abajo al mirar a través del agujero?

Answer 1

Ignorando la difracción, el agujero de aguja no puede cambiar la orientación de lo que ves porque no cambia la posición o dirección de ningún rayo de luz. Simplemente bloquea algunos de ellos.

Cuando pones una pantalla frente a un objeto iluminado, cada punto en el objeto emite luz en todas las direcciones, la cual golpea la pantalla en cada punto. Puedes imaginar que la pantalla contiene imágenes superpuestas del objeto con cada posible posición y orientación, pero no puedes verlas porque se promedian en un desenfoque uniforme. Poniendo una lámina perforada entre el objeto y la pantalla bloquea la mayoría de esas imágenes, haciendo que la que queda sea visible. No crea la imagen, como tal. Bloquear la luz de manera diferente dejaría visibles diferentes imágenes. Por ejemplo, si reemplazas la lámina perforada con un filtro de privacidad para portátiles, deberías obtener una imagen borrosa y vertical (en realidad no he probado esto). Un filtro que crea una imagen lateral también es posible en principio.

Pero no importa qué filtro pongas entre el objeto y tu ojo, no puedes cambiar la orientación de imagen que ve tu ojo, porque tiene su propio mecanismo para extraer una imagen del desorden de rayos de luz en el entorno, y solo le estás dando menos con qué trabajar.

Answer 2

La imagen directamente a través del agujero de alfiler está boca abajo en la retina de tu ojo. Pero todas las imágenes en la retina están boca abajo. Cuando el lente de tu ojo forma una imagen real en la retina, está invertida. Solo parece verse al revés para ti porque tu cerebro postprocesa la imagen de la retina en la corteza visual.

Al mirar con tu ojo la imagen formada en la pantalla en la parte trasera de la cámara, ves una imagen triplemente invertida: invertida una vez por el agujero de alfiler, una vez por el lente de tu ojo, y una vez por tu cerebro, por lo que ves una imagen boca abajo.

Answer 3

La respuesta es una cuestión de geometría simple y no tiene nada que ver con lo que sucede en la retina o en el cerebro: no estás mirando a través de una cámara estenopeica cuando estás mirando a través de un pequeño agujero en el papel.

O estás relativamente lejos del agujero. Entonces actúa simplemente como un bloque. Todos los rayos de lo que sea que esté al otro lado y que no vayan directamente desde la fuente a través del agujero hasta la lente de tu ojo serán bloqueados. Dado que el agujero está relativamente lejos, básicamente todo está bloqueado, y verás el agujero simplemente como un pequeño punto de luz parpadeante.

Si estás relativamente cerca del agujero, entonces el hecho de que haya papel alrededor del agujero simplemente no importa, y estás viendo la vista despejada de lo que habrías visto de todas formas.

En ambos casos, el estenopo no cambia en nada la ruta que los rayos viajan hasta llegar a tu ojo, simplemente bloquea una cantidad más o menos significativa.

La experiencia real del estenopo ocurre si pones una pared blanca detrás del agujero. Ahora los rayos van desde la fuente a través del agujero, y golpean esa pared (invertidos, como esperabas). Luego esos rayos rebotan en la pared hacia tus ojos, y sorprendentemente desde la parte vertical incorrecta, lo que lleva a la ilusión de estar boca abajo. Es esta operación de dos etapas la que permite a tus ojos realmente ver una imagen invertida. Al mirar directamente a través del estenopo, estás eliminando este aspecto.

Answer 4

La totalidad de la luz que llena el espacio, incluso en una aproximación de óptica geométrica, es un complicado campo de luz que es difícil de visualizar por completo. Cada punto en el espacio generalmente recibe rayos de varios colores y desde varias direcciones simultáneamente. No percibimos ni medimos el campo de luz a menos que algo se coloque en él para absorber o dispersar la luz, en última instancia nuestras retinas.

Muchas superficies que interactúan con la luz no son muy sensibles a la dirección desde la cual proviene. Estas incluyen pantallas mate (difusas), película fotográfica/CCDs y nuestras retinas (pero no los espejos). En cada punto, la respuesta integra efectivamente los rayos sobre todas las direcciones entrantes.

En un punto aleatorio en el espacio, es probable que esto resulte en una iluminación ambiental general que no seleccione de dónde provino originalmente la luz, es decir, no forma una imagen. Formar una imagen requiere un campo de luz manipulado especialmente (a menudo, como en el ojo, usando una lente) que contrarreste la tendencia de los haces de rayos a divergir y mezclarse.

Ahora, podemos aclarar la situación del agujero (diagrama inspirado en la búsqueda de aclarar y corregir la respuesta de pwf). Un agujero está diseñado para formar una imagen en una superficie (pantalla o película) sin la necesidad de una lente. Esto se logra restringiendo el campo de luz sin doblar ningún rayo. La imagen está, por supuesto, invertida (en relación a los objetos reales).

Cuando tu ojo está mirando directamente a través del agujero, se formará una imagen en la retina. La lente del ojo tiene relativamente poco impacto en este caso, asumiendo que tu enfoque está lo suficientemente relajado para mirar "a través" del agujerito en lugar de "a" él. La imagen en la retina está invertida (en relación a los objetos reales) así como si estuvieras mirando la misma escena sin barrera alguna. Por lo tanto, tu vista percibida de los objetos no está invertida.

Si colocas una pantalla (no mostrada en el diagrama) frente al agujero, mostrará la imagen invertida. Sin embargo, esto se observa visualmente a través de la luz reflejada/transmitida difusamente desde la pantalla que forma su propio campo de luz. Este campo de luz está invertido en relación al campo de luz original porque su fuente (el patrón en la pantalla) está invertida en relación a los objetos originales.

Percibes lo que hay en la pantalla cuando tu ojo forma una imagen a partir de este nuevo campo de luz. Por lo tanto, la imagen de la pantalla que se forma en tu retina no está invertida (en relación a los objetos reales) y se percibe como invertida.

Answer 5

No ves una imagen invertida al mirar a través de un agujero de alfiler porque el agujero de alfiler actúa como un colimador, no como una lente, lo que significa que los agujeros de alfiler no doblan la dirección de la luz.

• Los rayos de luz de puntos en la escena solo llegan a puntos en una pantalla (colocada detrás del agujero de alfiler) si son muy cercanos a ser paralelos (teniendo en cuenta que los agujeros de alfiler tienen un diámetro distinto de cero) y viajan a lo largo de una línea trazada desde el punto escénico hasta el agujero de alfiler.
• Estos rayos paralelos de puntos escénicos pasan directamente a través del agujero de alfiler y continúan viajando en línea recta antes de llegar a la pantalla sin ser doblados, como lo harían en una lente.
• Geométricamente, debido a que los rayos de áreas altas, bajas, izquierdas y derechas de la escena pasarán a través del agujero de alfiler y llegarán a áreas bajas, altas, derechas e izquierdas de la pantalla respectivamente, la imagen resultante en la pantalla estará invertida.

Si utilizas un ojo para mirar a través del agujero de alfiler, simplemente ves un conjunto de rayos casi paralelos llegando de puntos a través de una pequeña área de la escena que están alcanzando al iris; todo lo demás ha sido bloqueado por el papel que rodea al agujero de alfiler.

El efecto de colimación del haz del agujero de alfiler es limitar la luz a un túnel ideal formado entre la circunferencia del agujero de alfiler en un extremo y la circunferencia del iris (de un ojo) en el otro. La luz que entra en el agujero de alfiler pero sale del túnel no es visible.

Cuanto más cerca esté el iris del agujero de alfiler, menor será la colimación: los rayos no tienen que ser tan paralelos para alcanzar partes de la superficie del iris y se ve más de la escena. El cerebro interpreta los rayos que llegan desde la zona desbloqueada de una escena de manera normal: erguidos y no invertidos, al igual que lo haría con los mismos fotones que llegan sin un agujero de alfiler en su lugar.

Dejaré detalles sobre la percepción y el funcionamiento de la corteza visual para otro momento :)